段 斌，周 相，王海勝，雷 迪，嚴(yán)思源

（國能大渡河金川水電建設(shè)有限公司，四川省阿壩州 624100）

0 引言

我國水電資源總量和開發(fā)量位居世界第一，水電是技術(shù)成熟、運(yùn)行靈活、清潔低碳的可再生能源，目前我國水電開發(fā)程度明顯低于發(fā)達(dá)國家平均水平，在我國“碳中和、碳達(dá)峰”發(fā)展背景下，需要大力開發(fā)水電[1]。當(dāng)前我國水電開發(fā)主要集中在西部藏區(qū)，在此區(qū)域進(jìn)行水電工程建設(shè)，以大渡河流域水電工程為例，具有如下特點(diǎn)：一是地理位置偏遠(yuǎn)，交通運(yùn)輸不便，并且項(xiàng)目遍布流域，位置相對(duì)分散，管理難度大；二是地質(zhì)條件復(fù)雜，流域內(nèi)三大斷裂帶縱橫交錯(cuò)，地質(zhì)災(zāi)害較多；三是流域多高壩、大庫，且壩型種類繁多，有目前世界第一高壩——雙江口心墻堆石壩，有抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)最高的大崗山雙曲拱壩，有國際里程碑工程瀑布溝堆石壩，也有深厚覆蓋層上的混凝土面板堆石壩；四是流域水情時(shí)空分布極不均勻，洪峰流量大、準(zhǔn)確預(yù)測較困難?；谏鲜鰧?shí)際情況，我國水電工程通常規(guī)模大、投資高、技術(shù)復(fù)雜、建設(shè)周期長、管理內(nèi)容多，在現(xiàn)行的項(xiàng)目法人制、招標(biāo)投標(biāo)制、工程監(jiān)理制、合同管理制的管理體制下，水電工程的建設(shè)管理具有參與方眾多、管理對(duì)象復(fù)雜、協(xié)調(diào)工作量大、管控內(nèi)容多且要求高等特點(diǎn)。此外，在管理上還存在數(shù)據(jù)碎片化、信息孤島化，管理層級(jí)偏多、運(yùn)行機(jī)制不暢，風(fēng)險(xiǎn)反饋較慢、精準(zhǔn)決策困難，以及員工工作強(qiáng)度大、重復(fù)勞動(dòng)多等問題。為此，需要探索并提出了基于智能技術(shù)與管理的智慧工程解決方案。我國第五大水電基地——大渡河率先在水電行業(yè)開展了包括智慧工程在內(nèi)的智慧企業(yè)建設(shè)，形成了一系列理論成果[2-7]。大渡河智慧工程建設(shè)經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一階段是在大崗山、猴子巖水電站進(jìn)行先期探索，第二階段是沙坪二級(jí)水電站進(jìn)行試點(diǎn)建設(shè)，第三階段是雙江口和金川水電站進(jìn)行全面實(shí)踐[8]。這些成果后續(xù)還將在枕二沙一等項(xiàng)目全面運(yùn)用。

1 智慧工程理論概述

智慧化是在信息化、智能化基礎(chǔ)上的更高級(jí)的概念，三者既有聯(lián)系也有區(qū)別。信息化是將人員和流程數(shù)字化，提升局部效率；智能化是在工程技術(shù)方面的高級(jí)自動(dòng)化應(yīng)用；智慧化是人機(jī)協(xié)同，融合信息技術(shù)、工程技術(shù)、管理技術(shù)管控工程建設(shè)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)管理和智能決策。智慧工程是工程建設(shè)領(lǐng)域的智慧化應(yīng)用，是在智能化工程建設(shè)的基礎(chǔ)上，打造數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工程建設(shè)管理新模式。

1.1 基本概念

智慧工程是通過運(yùn)用云大物移智等先進(jìn)信息技術(shù)，以工程全生命周期管理的視角，強(qiáng)化工程建造數(shù)字化感知，創(chuàng)新工程建設(shè)管理方法和手段，建立大數(shù)據(jù)及決策分析模型，構(gòu)建工程安全、質(zhì)量、進(jìn)度、投資、環(huán)保和關(guān)鍵保障要素管控新模式，提升對(duì)各管理要素趨勢性、系統(tǒng)性問題的分析、預(yù)警、決策與綜合管控能力，最終實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)全生命周期管理、全方位風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判、全要素智能調(diào)控。

1.2 管控模型

智慧工程是物理工程與數(shù)字工程的融合。通過全面數(shù)字感知互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了物理工程向數(shù)字工程的發(fā)展；同時(shí)數(shù)字工程通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)管理，也實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體工程管理變更?；诖蠖珊又腔燮髽I(yè)“三化融合”理論研究成果[9]，提出水電建設(shè)項(xiàng)目公司層級(jí)的智慧工程管控模型（見圖1）。

圖1 智慧工程管控模型Figure 1 Intelligent engineering control model

1.3 應(yīng)用架構(gòu)

應(yīng)用架構(gòu)分為支撐平臺(tái)層，業(yè)務(wù)應(yīng)用層和智能協(xié)同層。支撐平臺(tái)層是集成應(yīng)用的基礎(chǔ)，業(yè)務(wù)應(yīng)用層是工程現(xiàn)場管理的手段，智能協(xié)同層是關(guān)鍵預(yù)警指標(biāo)管控及輔助決策的目標(biāo)。金川水電站應(yīng)用架構(gòu)如圖2所示。

圖2 智慧工程應(yīng)用架構(gòu)Figure 2 Intelligent engineering application framework

2 金川水電站智慧工程規(guī)劃方案

金川水電站是大渡河干流調(diào)整規(guī)劃28級(jí)方案中的第6個(gè)梯級(jí)電站，位于四川省阿壩州金川縣和馬爾康縣境內(nèi)。本文將其作為研究對(duì)象，分析大型水電站建設(shè)項(xiàng)目智慧工程規(guī)劃與實(shí)踐成果。

2.1 金川項(xiàng)目概況

金川水電站被列為國家支持青海等省藏區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展能源建設(shè)重點(diǎn)開發(fā)項(xiàng)目。工程等級(jí)為二等大（2）型工程，主要任務(wù)為發(fā)電，設(shè)計(jì)裝機(jī)容量860MW，安裝4臺(tái)215MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，與上游雙江口水庫聯(lián)合運(yùn)行時(shí)設(shè)計(jì)多年平均發(fā)電量34.86億kW·h。水庫正常蓄水位2253m，死水位2248m，總庫容5.08億m3，具有日調(diào)節(jié)能力。電站樞紐工程主要由面板堆石壩、左岸地下廠房、右岸溢洪道和右岸泄洪防空洞等建筑物組成，面板堆石壩最大壩高112m。金川水電站三維設(shè)計(jì)成果如圖3所示。

圖3 金川水電站三維設(shè)計(jì)模型Figure 3 The 3D design model of Jinchuan hydropower station

2.2 金川智慧工程總體目標(biāo)

金川智慧工程建設(shè)以具體業(yè)務(wù)為對(duì)象，以數(shù)據(jù)流為導(dǎo)向，全面梳理智慧工程項(xiàng)目的業(yè)務(wù)范圍和邊界條件，建“四全”實(shí)現(xiàn)“三能”電廠，即大環(huán)境全感知，構(gòu)筑物全掌控，業(yè)務(wù)量全數(shù)字，萬事物全互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)管理風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，智能決策高效，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行最優(yōu)的智慧電廠目標(biāo)。在建設(shè)物理電站的基礎(chǔ)上，利用大感知、大模型、大分析，以三維模型統(tǒng)籌工程數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬云端電廠，實(shí)現(xiàn)物理電站和云端電站的相互對(duì)應(yīng)。

2.3 金川智慧工程實(shí)施方案

按照“業(yè)主主導(dǎo)、統(tǒng)一規(guī)劃、專業(yè)分工、整體推進(jìn)”的思路，分為設(shè)計(jì)側(cè)、業(yè)主側(cè)、施工側(cè)和監(jiān)理側(cè)四部分實(shí)施。其中，設(shè)計(jì)單位負(fù)責(zé)招標(biāo)和施工圖階段的三維設(shè)計(jì)、數(shù)字化移交以及地質(zhì)模型演進(jìn)預(yù)報(bào)；業(yè)主單位負(fù)責(zé)建設(shè)期綜合管控平臺(tái)、數(shù)據(jù)中心以及施工區(qū)主干網(wǎng)絡(luò)建設(shè)；施工單位是各項(xiàng)智能感知技術(shù)的責(zé)任主體，是工程“五控制”以及施工資源等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的來源和集成單位。參建單位協(xié)同建設(shè)是金川智慧工程的顯著特點(diǎn)。金川水電站智慧工程實(shí)施方案如圖4所示。

圖4 金川水電站智慧工程實(shí)施方案Figure 4 The execution scheme of Jinchuan hydropower station

2.4 金川智慧工程業(yè)務(wù)架構(gòu)

結(jié)合金川水電站核心業(yè)務(wù)和管控需求，形成了“一個(gè)平臺(tái)、五大單元”的業(yè)務(wù)架構(gòu)。一個(gè)平臺(tái)，即全生命周期數(shù)字水電站管理平臺(tái)；五大單元，即智能大壩單元、智能廠房單元、智能安全環(huán)保單元、智能服務(wù)保障單元、智能工區(qū)單元。詳見圖5。

圖5 金川水電站智慧工程業(yè)務(wù)架構(gòu)Figure 5 The business structure of Jinchuan hydropower station

3 金川水電站智慧工程實(shí)踐成果

3.1 建設(shè)進(jìn)展

（1）基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施建設(shè)。

建設(shè)一張兼顧建設(shè)期和運(yùn)行維護(hù)期的施工區(qū)主干網(wǎng)，永臨結(jié)合，兼顧建設(shè)期和運(yùn)行期電廠三區(qū)數(shù)據(jù)傳輸需要，構(gòu)建數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施，形成工程建設(shè)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。參建單位的通信子網(wǎng)延伸至每個(gè)工作面、營地及道閘、攝像頭，就像一個(gè)個(gè)神經(jīng)突觸，串聯(lián)起工程的數(shù)據(jù)感知網(wǎng)絡(luò)，并最終匯聚至數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)中心機(jī)房。目前數(shù)據(jù)中心機(jī)房已經(jīng)投用，主干網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)基本建成。

（2）智能工區(qū)建設(shè)。

建成了覆蓋地面和地下、語音+數(shù)據(jù)的大傳輸網(wǎng)絡(luò)，集團(tuán)網(wǎng)絡(luò)專線已延伸至施工區(qū)，滿足現(xiàn)場高品質(zhì)音話實(shí)時(shí)傳輸。推進(jìn)了“一人一帽、以帽管人”的人員管理，已終止原智能安全帽供應(yīng)，研究解決了新一代智能安全帽在金川應(yīng)用的商務(wù)問題，正在配合大匯智安進(jìn)行樞紐區(qū)模型創(chuàng)建。全面采用人臉識(shí)別、車輛識(shí)別，全面覆蓋視頻監(jiān)控，打造智能工區(qū)建設(shè)環(huán)境，系統(tǒng)全面管控施工現(xiàn)場人員、車輛和物資。

（3）建設(shè)期綜合管控中心。

該中心是金川水電站智慧工程數(shù)據(jù)匯聚中心和預(yù)警指揮中心，協(xié)同支撐和提升工程管理協(xié)調(diào)、預(yù)警、決策能力。平臺(tái)集成整合工程建設(shè)各智能單元相關(guān)數(shù)據(jù)，解決數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和融合問題，構(gòu)建工程數(shù)據(jù)指標(biāo)、分析模型及預(yù)警策略。目前完成了數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)；完成數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)，搭建金川工程數(shù)據(jù)中心測試環(huán)境，梳理形成金川水電站KPI指標(biāo)共計(jì)104項(xiàng)；分階段完成功能開發(fā)，當(dāng)前已完成大部分功能模塊；統(tǒng)籌各承建方進(jìn)行系統(tǒng)建設(shè)并陸續(xù)接入綜合管控平臺(tái)，已接入安全帽系統(tǒng)和安全管控系統(tǒng)。

（4）全周期數(shù)字化電站管理平臺(tái)。

該平臺(tái)貫穿于金川電站設(shè)計(jì)階段、建設(shè)階段及后期運(yùn)維階段全生命周期，實(shí)現(xiàn)基于BIM成果的可視化工程數(shù)據(jù)集成管理，數(shù)字化移交、智慧化運(yùn)維。建成了全周期數(shù)字化電站管理平臺(tái)，基于BIM成果，將設(shè)計(jì)、施工過程數(shù)據(jù)信息集成管理，為智慧運(yùn)維提供數(shù)據(jù)支撐；實(shí)現(xiàn)了不同工程階段屬性信息、文檔數(shù)據(jù)與模型關(guān)聯(lián)管理；進(jìn)行了數(shù)據(jù)快速錄入編碼分類，施工現(xiàn)場照片與模型關(guān)聯(lián)查詢，以及移動(dòng)端使用。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）智能協(xié)同的安全管控技術(shù)。

該技術(shù)主要包括：一是創(chuàng)新采用體驗(yàn)式的安全教育培訓(xùn)，通過安全體驗(yàn)館內(nèi)設(shè)置的現(xiàn)場急救、防滅火、觸電、物體打擊等身臨其境模擬體驗(yàn)方式，替代了傳統(tǒng)的“說教式”安全教育，大大增強(qiáng)了現(xiàn)場人員的安全意識(shí)。二是以智能安全帽為核心的人員管理，按照“一人一帽、以帽管人”原則，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)人員的定位、軌跡，在崗、出勤統(tǒng)計(jì)等功能，結(jié)合電子圍欄還可以進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)域滯留告警。三是智能工區(qū)封閉管理，依托地面和地下洞室網(wǎng)絡(luò)覆蓋，全部采用人臉識(shí)別進(jìn)行的人員識(shí)別登記，并與LED顯示屏實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)顯示。四是在上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集后，集成安全資質(zhì)、隱患排查、危險(xiǎn)源、特種設(shè)備、防洪度汛及雨情水情等信息，集成在智能安全管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程安全狀態(tài)的全局把控。

（2）多元信息施工安全監(jiān)測智能技術(shù)。

該技術(shù)主要包括：一是通過高精度三維激光掃描感知，構(gòu)建“實(shí)景復(fù)制”三維實(shí)體模型，快速精確獲取導(dǎo)流洞、泄洪洞開挖斷面和圍巖巖體信息，實(shí)現(xiàn)了工程量計(jì)量復(fù)核和超欠挖精準(zhǔn)分析控制。二是結(jié)合微震監(jiān)測，爆破振動(dòng)監(jiān)測，三維激光掃描，環(huán)境監(jiān)測等信息，提出了多元監(jiān)測信息的圍巖失穩(wěn)預(yù)警綜合指標(biāo)和預(yù)警模型，用于判斷圍巖穩(wěn)定性，指導(dǎo)施工。

（3）全生命周期BIM設(shè)計(jì)與數(shù)字化移交技術(shù)。

該技術(shù)主要包括：一是三維協(xié)同設(shè)計(jì)；二是貫穿金川電站設(shè)計(jì)階段、建設(shè)階段及后期運(yùn)維階段等全生命周期，實(shí)現(xiàn)基于BIM成果的可視化工程數(shù)據(jù)集成管理；三是利用BIM進(jìn)行地下洞室施工過程中的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)預(yù)報(bào)的三維可視化，動(dòng)態(tài)監(jiān)控并顯示地下洞室施工過程中的地質(zhì)預(yù)報(bào)信息和地下洞室群動(dòng)態(tài)反饋分析，輔助現(xiàn)場安全施工，優(yōu)化開挖過程的安全及支護(hù)措施，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 應(yīng)用場景

（1）體驗(yàn)式安全教育培訓(xùn)。

采用VR技術(shù)，通過現(xiàn)場急救、防滅火、觸電、物體打擊等模擬體驗(yàn)方式，大大增強(qiáng)了現(xiàn)場人員的安全意識(shí)，累計(jì)參培達(dá)到2000余人次。

（2）數(shù)據(jù)協(xié)同智能安全管控。

研發(fā)智能安全APP和WEB端應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)時(shí)上報(bào)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的安全隱患問題，建成了智能安全管控系統(tǒng)，集成安全資質(zhì)、隱患排查、危險(xiǎn)源、特種設(shè)備、應(yīng)急管理、防洪度汛及雨情水情等信息，累計(jì)開展班前安全教育培訓(xùn)3266班次，開展安全評(píng)估105次，采集安全隱患數(shù)據(jù)441條，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程安全狀態(tài)的全局把控。

（3）可視化設(shè)計(jì)交底。

采用BIM技術(shù)，方便快捷地開展施工圖審查和工程量復(fù)核等，確保設(shè)計(jì)意圖準(zhǔn)確真實(shí)傳遞。

（4）“三維實(shí)景復(fù)制”應(yīng)用。

采用三維激光掃描與實(shí)體模型構(gòu)建技術(shù)，快速精確獲取地下洞室和料場邊坡開挖斷面和圍巖巖體信息，實(shí)現(xiàn)了工程量計(jì)量復(fù)核和超欠挖精準(zhǔn)分析控制。

（5）無紙化質(zhì)量驗(yàn)評(píng)。

研發(fā)了質(zhì)量驗(yàn)評(píng)APP，實(shí)現(xiàn)特定人員在指定位置規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成質(zhì)量數(shù)據(jù)采集和質(zhì)量管控，已累計(jì)使用質(zhì)量驗(yàn)評(píng)APP完成單元工程評(píng)定172個(gè)。

（6）施工環(huán)境監(jiān)測預(yù)警。

通過環(huán)境因素傳感器和在線監(jiān)測技術(shù)，對(duì)地下洞室風(fēng)量、風(fēng)速、洞內(nèi)溫度、濕度和粉塵、有害氣體濃度及成分的在線監(jiān)測與分析，實(shí)現(xiàn)施工環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警。

（7）多源融合的智能監(jiān)測。

采用多源融合監(jiān)測技術(shù)，利用安全監(jiān)測、微震監(jiān)測，爆破振動(dòng)監(jiān)測、圍巖松動(dòng)圈監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等手段，提出了多元監(jiān)測信息的圍巖失穩(wěn)預(yù)警綜合指標(biāo)和預(yù)警模型，用于判斷圍巖穩(wěn)定性，指導(dǎo)導(dǎo)流洞、泄洪洞快速安全開挖。

（8）全景展示式的仿真檔案室。

結(jié)合高清延時(shí)攝影和虛擬仿真技術(shù)，采集工程形象面貌、巖芯、地質(zhì)素描、航攝測量、技術(shù)咨詢、質(zhì)量監(jiān)督等重要影像資料，實(shí)現(xiàn)工程檔案資料的快速檢索、查閱。

4 結(jié)語

金川水電站智慧工程建設(shè)以大渡河智慧企業(yè)框架和系統(tǒng)工程方法論為指導(dǎo)，按照“業(yè)務(wù)量化、集成集中、統(tǒng)一平臺(tái)、智能協(xié)同”的建設(shè)路徑，“大感知、大傳輸、大存儲(chǔ)、大計(jì)算、大分析”的建設(shè)方法，搭建了智慧工程數(shù)據(jù)中心和全周期智能電站管理平臺(tái)，“一平臺(tái)、五單元”的架構(gòu)體系已基本形成，按照“中心制”管理模式逐步實(shí)現(xiàn)工程“五控制”管理的自動(dòng)感知、自動(dòng)預(yù)判、自主決策。

在體系架構(gòu)方面，金川水電站智慧工程建設(shè)突出核心業(yè)務(wù)和管控需求，形成了“一平臺(tái)、五單元”的業(yè)務(wù)架構(gòu)，全面提升參建各方在資源配置、業(yè)務(wù)運(yùn)行、輔助決策等方面的智慧化能力。在實(shí)施方案方面，形成了業(yè)主側(cè)、設(shè)計(jì)側(cè)、監(jiān)理側(cè)和施工側(cè)的協(xié)同建設(shè)模式，分別從各自維度負(fù)責(zé)相應(yīng)智能單元和工程數(shù)據(jù)的采集、整理、集成和應(yīng)用，專業(yè)分工、協(xié)同推進(jìn)智慧工程建設(shè)。在建設(shè)管理方面，成立了智慧工程推進(jìn)機(jī)構(gòu)，由領(lǐng)導(dǎo)小組、專業(yè)組和數(shù)據(jù)分析師組成，單位主要負(fù)責(zé)人任組長，成員覆蓋各中心、部門、參建單位及服務(wù)單位。以上實(shí)踐成果可供業(yè)內(nèi)有關(guān)單位參考和借鑒。